快堆启停系统运行分析及设计优化建议

(中核霞浦核电有限公司，福建 宁德 355100)

由于钠的高沸点物理特性(钠常压下的沸点为882.9 ℃)，额定工况下钠冷快堆中一、二回路的钠温均在500 ℃以上，比常见压水堆一回路温度要高出将近200 ℃。所以不同于压水堆采用自然循环式蒸汽发生器，钠冷快堆均采用直流式蒸汽发生器，比如俄罗斯钠冷快堆BN800、中国实验快堆(CEFR)、中国示范快堆(CFR600)等。在高功率的情况下，二回路的钠温足够高，给水一次流过直流式蒸汽发生器加热面而转变为蒸汽。但在低功率情况下由于过热器不能进水，必须借助启动和停堆冷却系统(简称“启停系统”)来接受、回收蒸汽发生器的工质和热量。所以启动和停堆冷却系统的设计对钠冷快堆的启动、停运过程的顺利进行有着至关重要的作用。本文通过调研、分析CEFR、BN800启动和停堆冷却系统的设计，提出了CFR600启动和停堆冷却系统相关设计优化建议。

1 启动和停堆冷却系统功能介绍

在反应堆启动和停堆过程中，蒸汽发生器出口的过冷水(或蒸汽)进入启动扩容器，扩容后的蒸汽进入高压辅助蒸汽联箱，疏放水排入凝汽器，或引入除氧器；水质不合格时，疏水经排污扩容器扩容降温后，排入废水坑。所以，启动和停堆冷却系统主要有以下功能：

1)在反应堆启动和计划停堆过程中，接受、回收蒸汽发生器模块的工质和热量，满足水/汽工况之间的转换和传输热量的需求；

2)蒸汽发生器水工况情况下，通过扩容闪蒸产生蒸汽，可减少辅助锅炉出力，疏水返回除氧器加热凝结水，提高能量利用率，提高经济效益；

3)作为高压辅助蒸汽的汽源之一，可提高辅助蒸汽供除氧器、汽轮机轴封等使用。

2 CEFR启停系统存在的问题

2.1 CEFR启停系统运行介绍

中国实验快堆CEFR的主要系统设置和物理参数选择与大型快堆电厂相同。实验快堆充分利用固有安全性并采用多种非能动安全技术，无需厂外应急，安全性已达到第四代核能系统的要求[1]。CEFR启停系统由两台启动扩容器、一台高压疏水扩容器、快速隔离阀、流量测量装置、降压调节阀、辅助蒸汽减压阀、启动扩容器水位调节阀、高压疏水扩容器进水调节阀等组成，如图1所示。CEFR两个环路各有一个启动扩容器，每个启动扩容器有两个入口阀，一个是降压调节阀(F14101/F14201)，一个辅助蒸汽减压阀(F10101/F10201)。降压调节阀位于启动扩容器进水管道，其作用是在蒸汽发生器水工况条件下，通过这个阀门来将蒸汽发生器出口10 MPa左右热水降压至1.8 MPa后进入启动扩容器[2]，即自动维持降压调节阀阀后压力为1.8 MPa。辅助蒸汽减压阀位于启动扩容器进汽管道，其作用是在蒸汽发生器汽工况条件下，通过这个阀门将蒸汽发生器出口过热蒸汽降压后供给辅助蒸汽，维持辅助蒸汽供汽压力为(1.8±0.2)MPa。辅助蒸汽温度超过275 ℃时，喷水减温阀(F10103/F10203)自动打开，维持辅助供汽温度不超过280 ℃。

图1 CEFR启停系统简图Fig.1 Schematic of the startup and shutdown cooling system of the CEFR

在反应堆启动过程中，首先打开降压调节阀F14101和F14201，投入阀后压力调节系统，使热水进入启动扩容器，此后投入液位调节系统，通过对F14105、F14205的调节,保持扩容器水位,并把热水排往高压疏水扩容器阀后压力调节系统;通过调节F14002的开度,控制进水压力，此后投入液位调节系统;通过调节F07042的开度,控制高压疏水扩容器的液位。在正常工况下，启动和停堆冷却系统投入工作，启动扩容器的汽压和水位调节、高压疏水扩容器进水压力和水位调节，均为自动调节。

2.2 CEFR启停系统存在的问题

CEFR启动和停堆冷却系统在实际运行中发现主要存在以下问题：

1)水汽转换过程，需要将降压调节阀切手动，手动控制降压调节阀开度，协助进行降压汽化操作，此时无法再通过降压调节阀来控制启动扩容器压力，缺少了自动控制启动扩容器压力的手段。同时，由于水发生相变，体积快速膨胀，从而导致水汽转换过程中，极易导致启动扩容器超压，引起启扩安全阀动作；

2)启动扩容器入口设置两个入口调节阀，一个降压调节阀适用于水汽转换之前蒸汽发生器水工况状态，一个辅助蒸汽降压阀适用于水汽转换之后蒸汽发生器汽工况状态，导致水汽转换之后要进行两个阀门之间的切换操作，增加了操作难度，不利于水汽转换之后的工况稳定；

3)喷水减温阀本来设计的功能为防止辅助蒸汽供汽温度不超过280 ℃，但实际使用时一直处于手动控制状态，目的也不是防止辅助蒸汽超温，而是通过手动控制喷淋水量，来防止启动扩容器超压；

4)水汽转换过程中，需要手动操作的设备太多，操作复杂，操作难度大，极大地增加了水汽转换过程中的风险；

5)两个蒸汽发生器的上游源头是同一个给水母管，下游却分别设置了一个相互独立的启动扩容器。每个启动扩容器都有自己独立的压力、温度、液位控制系统，这样容易导致两个环路之间存在偏差，需要人为控制两个环路上下游参数的一致性，一个环路调节时容易引起另外一个环路发生变化，产生耦合现象，增加了环路间的流量控制难度。

3 BN800启停系统设计及特点

BN800启动和停堆冷却的主要设备及相关功能如图2所示。BN800启停系统工艺图所示。通过该工艺图，我们可以发现，相对于CEFR的启停系统设计，BN800具有以下主要特点：

图2 BN800启停系统工艺图Fig.2 The process of the startup and shutdown cooling system of BN800

1)BN800一共有三个环路，但三个环路共用一个启动扩容器，不仅减少了设备数量，同时从工艺设计上保证了三个环路的上、下游参数的一致性，减少了环路间的相互影响，减小了发生环路间偏差的风险，降低了控制难度；

2)BN800每个环路启动扩容器入口只设置一个调节阀(CEFR每个环路启扩入口设置了两个调节阀：一个降压调节阀，一个辅助蒸汽减压阀)，水汽转换之后不需要进行阀门切换，简化了操作步骤。同时，BN800启扩入口调节阀的功能设计也不一样，BN800该调节阀的功能为自动控制蒸汽发生器出口压力，维持蒸汽发生器出口压力在要求的值;

3)BN800启动扩容器下游设置了去凝汽器的排放阀，用于自动控制启动扩容器的压力[3]，可以有效防止启扩超压。BN800启动扩容器设置了凝结水喷淋减温阀，由于有专门的排放阀来控制压力，所以喷淋减温阀专门用来防止启动扩容器超温；

4)BN800设置了专门的启动前反暖、疏水管线，理论上可以使反暖时间缩短，提高了反暖效果，可以缩短启动时间。

总的来说，BN800工艺设计更加合理，简化了操作，为实现主给水全流量自动控制，特别是水汽转换过程在自动控制，奠定了工艺基础，从而使BN800最终实现了主给水全流量自动控制(包括水汽转换过程)。

4 CFR600启停系统设计及优化建议

4.1 CFR600启停系统介绍

CFR600启停系统由启动扩容器、快速隔离阀、流量测量装置、启扩水侧调节阀、启扩汽侧调节阀、启动扩容器水位调节阀、喷淋减温阀等设备组成，图3为CFR600启停系统简图。由于CFR600整体上是参考CEFR进行设计的，所以CFR600启停系统也和CEFR启停系统相类似，但也进行了一些改进。总的来说，CFR600启停系统的设计功能及特点主要包括以下几点：

图3 CFR600启停系统简图Fig.3 Schematic of the startup and shutdown cooling system of CFR600

1)在启动扩容器数量方面，对CEFR两个启动扩容器的设计进行了改进。CFR600和BN800类似，两个环路共用一个启动扩容器，优点是减少设备数量，从工艺设计上保证了两个环路的上、下游参数的一致性，减少了环路间的相互影响，减小了发生环路间偏差的风险，降低了控制难度。从另外一个方面来说，则增加了启动扩容器的开孔数量，对设备接口的焊接工艺提出了更高的要求，对设备的制造工艺提出了更高的要求。经过调研，确认国内厂家的设备制造工艺可以满足这个要求，所以这个缺点也就没有问题了。

2)在启扩的喷淋减温水方面，CEFR由主给水泵出口的高压给水母管提供喷淋减温水，CFR600和BN800的启扩喷淋减温水均是由凝结水泵出口的凝结水母管提供，即CEFR是主给水，CFR600和BN800是凝结水。主给水提供作为喷淋水的唯一优点是主给水的温度较高，和启动扩容器内的温差较小，可以减小热冲击。但是存在一个比较大的问题是对主给水控制会产生一个比较大的扰动。CEFR的运行操作经验表明，在进行主给水控制时，经常由于喷淋减温水流量的波动，导致进入蒸汽发生器中的主给水流量以及蒸汽发生器出口压力发生变化，从而需要操纵员对主给水流量、压力进行手动重新调整。在主给水流量、蒸汽发生器出口压力处于自动控制状态时，如果由主给水提供喷淋减温水，那么喷淋减温水流量变化也必然会成为一个影响比较大的扰动量，对自动控制品质产生重大影响。另外，用凝结水作为喷淋减温水的减温、减压效果更加明显，导致需要的减温水流量小，有助于减小减温水设计管径，减小启动扩容器的开孔孔径，提高设备可靠性。

3)在启动扩容器入口阀设计方面，CFR600沿用了CEFR的设计，每个环路依然设计了两个入口调节阀，但两个阀门的功能上有所不同。CFR600的水侧调节阀用于蒸汽发生器水工况条件下控制蒸汽发生器出口压力为10 MPa，汽侧调节阀用于汽工况条件下控制阀后压力(即启动扩容器内压力)为(1.8±0.2)MPa。

4.2 CFR600启停系统存在的问题及优化建议

虽然CFR600的启停系统设计在CEFR的基础上进行了一些改进，但是也还存在一些问题：

1)水汽转换过程中，启扩入口调节阀需要配合进行蒸发器降压汽化，启扩压力缺少自动控制手段。并且水汽转换过程启扩压力变化快，操纵员往往来不及手动控制，极易导致启扩超压，启扩安全阀频繁动作(这也是CEFR的运行经验)；

2)水汽转换之后到旁排可以投入控制蒸汽发生器出口压力之前，这段时间需要开启蒸汽发生器出口至主蒸汽母管的联络阀，对主蒸汽母管进行升压及进一步暖管。这段时间属于汽工况条件，启扩入口汽侧调阀用于控制启扩压力，所以此时蒸汽发生器出口压力无自动控制手段；

3)CEFR由于没有主蒸汽减压供给辅助蒸汽的设计，所以必须由启停系统提供辅助蒸汽直到75%FP一段抽取投入并辅助蒸汽之后，才能退出运行。而CFR600可以通过主蒸汽减压提供辅助蒸汽，所以主蒸汽母管升压完毕之后，旁排投入。此时即可将启停系统退出运行，没有必要等过热器模块投运后才停运启停系统，也就没必要在这个阶段专门设置一个汽侧调阀来控制启扩的压力。

针对这些问题，参考BN800的设计，提出以下优化建议：

1)为了启停系统运行时启动扩容器压力一直有自动控制手段，建议在启扩下游设置到凝汽器的排放管路及自动控制阀门。这个设计类似一个小旁排管线，通过控制排往凝汽器的蒸汽量来控制启动扩容器压力，防止其超压。

2)由于启动扩容器有专门的阀门来控制压力，不再需要启扩汽侧入口阀来控制启扩压力，所以可以将启扩水/汽侧调节阀合二为一，变为一条管线和一个入口调节阀阀门，入口调节阀阀的功能设计为控制蒸汽发生器出口压力。这个入口调节阀在蒸汽发生器水工况条件下控制蒸汽发生器出口过冷水压力为10 MPa，水汽转换之后控制蒸汽发生器出口蒸汽压力为7 MPa。因为启扩入口调节阀的工作环境存在汽水两相的情况，容易对阀门造成汽蚀损坏。为了保证入口调节阀的可靠性，所以将启扩水/汽侧调节阀变更为一用一备，均用于控制蒸汽发生器出口压力。这样既保证了功能上的便捷性，又提高了系统运行的可靠性。

3)优化启停系统运行方式。启停系统由原设计的运行至11.9%Pn过热器投入后退出运行，变更为运行至7%Pn水汽转换之后便退出运行状态，然后由主蒸汽降压提供辅助蒸汽。缩短启停系统运行时间，简化运行，降低启扩超压风险。

按照优化建议优化之后的CFR600启停系统简图如图4所示。

图4 优化后的CFR600启停系统简图Fig.4 Schematic of the optimized startup and shutdown cooling system of CFR600

5 结论

通过对比CEFR、BN800以及CFR600启停系统的功能设计，分析它们的优缺点及可能存在的问题，提出CFR600启扩入口阀优化建议，将原设计中两个启扩入口调节阀一个负责水工况下蒸汽发生器出口压力控制、一个负责汽工况下启扩压力控制，变更为两个阀门一用一备，但均负责蒸发器出口压力控制(包括水工况及汽工况初期)。同时，建议启扩下游增加至凝汽器的排放管线，设置排放阀自动控制启扩压力，防止启扩超压。消除了原设计中存在的以下问题：(1)水汽转换之后至主蒸汽母管升压期间无法自动控制蒸发器出口压力；(2)水汽转换期间启扩存在超压风险；(3)水/汽转换后需要对两个阀门进行复杂的切换操作，增加了操作风险；(4)启扩必须连续运行至过热器投入之后。

总的来说，此设计优化建议可以优化CFR600启扩运行方式，有效避免启扩超压，提高运行可靠性，简化水汽转换操作，同时为以后实现水汽转化过程自动控制奠定工艺基础。